(57)【要約】【課題】  基板の加熱温度を上げて高温処理能力を向上させる。【解決手段】  少なくとも上面に光透過性窓を設けた反応室と、光透過性窓に対応する反応室外側に配置されたランプ加熱装置と、ランプ加熱装置と光透過性窓との間に設けられ、光透過性窓の窓枠を構成する耐熱性低熱伝導部材と、耐熱制定熱伝導部材と光透過性窓の間に設けられた窓押さえ込み部と、とを有する。【選択図】  図１
2010219542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上面に光透過性窓を設けた反応室と、
前記反応室の外周囲に配置される放電用電極と、
前記放電用電極の外周囲に配置される磁界形成手段と、
前記光透過性窓に対応する反応室外側に配置されたランプ加熱装置と、
前記ランプ加熱装置と前記光透過性窓との間に設けられ、前記光透過性窓の窓枠を構成する耐熱性低熱伝導部材と、
前記耐熱制定熱伝導部材と前記光透過性窓の間に設けられた窓押さえ込み部と、
前記反応室内の前記ランプ加熱装置に対向させて被処理基板をランプ加熱装置からの光照射を受けるように載置する基板載置台と、
前記反応室内にガスを供給するガス供給管とを有する半導体製造装置。
【請求項２】
前記窓枠は、耐熱性熱伝導部材のほかに第二の熱伝導部材を有し、
前記第二の熱伝導部材は、前記耐熱制定熱伝導部材により熱伝導率が高い材質であり、
前記第二の熱伝導部材は、冷却流路が設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いて基板を処理する半導体製造装置に係り、特にその基板加熱能力を改善する構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製造装置を構成するプラズマ処理炉、例えば変形マグネトロン型プラズマ源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  Ｔｙｐｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅ）を用いたプラズマ処理炉は、気密性を確保した反応室である処理室に半導体ウェハなどの被処理基板を設置し、反応ガスを処理室に導入する。処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに、磁界をかけてマグネトロン放電を起こしてプラズマを発生させ、このプラズマを用いて基板を処理するようになっている。
【０００３】
このようなプラズマ処理炉として、従来、多数の孔を有するシャワープレートから処理室（反応室）にガスをシャワー状に供給するものがある。
【０００４】
これは、図６に示すように、基板６を収容する反応室２０と、反応室２０にガス導入口（ガス供給管）１２より放電用ガスを供給するシャワーヘッド１１と、反応室２０を排気するガス排気口（排気管）１４と、ガスを用いて反応室２０内にプラズマを生成するプラズマ生成手段１７とを有する。
【０００５】
反応室２０のチャンバを形成する処理容器１０は、金属製の下容器１と、絶縁材（ここではアルミナ）から成るドーム状の上容器２とから構成され、内部の部品交換や洗浄のため開閉できる構造となっている。
【０００６】
上容器２は、その上部に、反応ガスをシャワー状に供給するシャワー板３を備えており、この上容器２の上にＯリング９を介して、金属製の上蓋４が設置される。上容器２のシャワー板３と上蓋４の間には、ガスを導入するバッファ室つまりガス分散室１３が形成されており、ここでガスが混合できる。シャワー板３は、金属製の円板全面に、ガス吹出口となる多数の丸孔を格子状もしくは同心円上に設けたものである。したがって、丸孔は反応室２０内に露出するようになっている。
【０００７】
プラズマ処理炉では、プラズマを安定化させるために、反応室２０の上蓋４を接地する。シャワー板３が金属製であると、上蓋４を介してシャワー板３も接地される。シャワー板３が接地されていると、プラズマ生成手段１７によって形成される電界が、基板６のみならずシャワー板３にも向かう。したがって、シャワー板３が直接イオンの衝撃によってスパッタされる。
【０００８】
また、プラズマ雰囲気にさらされるシャワー板３に、電界の集中しやすい金属の角部をもつガス吹出口があると、シャワー板３に向かう電界はシャワー板３に設けたガス吹出口の丸孔の角部に集中するため、プラズマ中のイオンが丸孔の角部に衝突し、角部がイオンによりスパッタされやすくなる。スパッタによりはじきだされた物質がパーティクルとしてウェハ上に降って来る。このパーティクルが有害な金属汚染源となり、ウェハを金属汚染することになる。  そこで、シャワープレートを、金属ではなく、石英等の誘電体で構成して、ガス吹出口のスパッタを軽減することも考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
反応室２０内には、シリコンウェハなどの被処理基板６を設置する載置部を有する基板載置台たるサセプタ５、基板搬送時に貫通孔５ａを突き抜けて基板６をサセプタ５から離間させるリフトピン（基板昇降ピン）８、これらのリフトピン８を下容器１に固定するためのブロック７が配置されている。サセプタ５はセラミックヒータ内臓のものとなっており、基板を処理する場合４００〜５００℃程度の温度になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１９６３５４号公報（図１、図５、図６、図８、図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、基板載置台を介して基板をヒータ加熱する従来の半導体製造装置では、ヒータによる基板加熱温度が最高でも４００℃〜５００℃程度であるため、高温処理に対応できなかった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、従来技術の問題点を解消して、基板の加熱温度を上げて高温処理能力を向上させることが可能な半導体製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１４】
本発明に係る半導体製造装置は、少なくとも上面に光透過性窓を設けた反応室と、前記反応室の外周囲に配置される放電用電極と、前記放電用電極の外周囲に配置される磁界形成手段と、前記光透過性窓に対応する反応室外側に配置されたランプ加熱装置と、前記反応室内の前記ランプ加熱装置に対向させて被処理基板をランプ加熱装置からの光照射を受けるように載置する基板載置台と、前記反応室に放電用ガスを供給するガス供給管と、前記反応室内の雰囲気を排気する排気管とを有し、前記反応室内に前記排気管により排気しつつ前記ガス供給管から放電用ガスを供給し、該放電用ガスが前記放電用電極からの電界と前記磁界形成手段による磁界との相互作用によりプラズマ放電し、前記基板載置台上に載置され前記ランプ加熱装置からの光照射を受けて加熱される被処理基板にプラズマ処理を施すように構成したものである。
【００１５】
上記発明において、さらに反応室のランプ加熱装置周辺部材の温度上昇を低減させる手段を設けることが好ましい。また、上記発明において、さらに前記光透過性窓に対向する前記反応室内に光透過性のシャワー板を設けて前記光透過性窓との間でガス分散室を形成し、前記シャワー板には前記被処理基板の外周囲位置にガス供給部が設けられることが好ましい。
【００１６】
上記反応室のランプ加熱装置周辺部材の温度上昇を低減させる手段には、次のような形態が含まれる。
【００１７】
第一は、ランプ加熱装置を反応室外側に配置する取付部材を、耐熱性を確保しつつ、熱伝導率の低い材料で構成する形態である。
【００１８】
第二は、反応室のランプ加熱装置周辺部材に、水冷機構の如き放熱機構を設け、ランプ加熱装置の熱を伝熱部材を介してこれに吸収させる形態である。具体的構成としては、反応室の上蓋に冷却液の通路を形成し、この冷却液の通路より熱を汲み出す形態である。ここで冷却液の通路を形成し得る、反応室のランプ加熱装置周辺部材としては、上蓋の上蓋
縁部材や光透過性窓部材等がある。
【００１９】
第三は、ランプ加熱装置を反応室外側に配置する取付部材を、耐熱性を確保しつつ、熱伝導率の低い材料で構成するのみならず、ピン等により隙間を作るなどの断熱機構として作用するように構成する形態である。この形態においても、追加的に、反応室の上蓋に、水冷機構として冷却液の通路を形成しておくことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る半導体製造装置によれば、反応室の上面に光透過性窓を設け、その光透過性窓に対応する反応室外側にランプ加熱装置を配置したので、ランプ加熱装置の光を光透過性窓を通して反応室内に入れ、被処理基板に光照射して加熱することができる。
【００２１】
また、反応室のランプ加熱装置周辺部材にその温度上昇を低減させる手段を設けたので、反応室のランプ加熱装置周辺部材であるところの、例えば上蓋縁部材や光透過性窓部材等の温度上昇を抑え、Ｏリング等のシール部材の寿命を高めることができる。結果として、基板載置台上に載置されランプ加熱装置からの光照射を受けて加熱される被処理基板の処理温度を高めることができる。よって、半導体製造装置の処理可能な温度範囲が広がり、より広範な用途に適用することができる。
【００２２】
ランプ加熱装置を構成する加熱ランプの数については特に制約はなく、反応ガスの導入口及び排気口を有する真空保持された処理容器内で、基板に薄膜を形成するプラズマ処理装置において、処理容器外部大気側に基板を加熱するための光源としての加熱ランプを、少なくとも１個設ければよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る基板処理炉（ＭＭＴ装置）に窓及びランプ加熱装置を設けた構造を示した図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る遮蔽プレートの構成を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は要部斜視図である。
【図４】本発明の第二の実施形態に係る基板処理炉（ＭＭＴ装置）に窓及びランプ加熱装置を設けた構造を示した図である。
【図５】図４の部分拡大図である。
【図６】従来の基板処理炉（ＭＭＴ装置）の構造を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の実施の形態を説明する。実施の形態の半導体製造装置を構成するプラズマ処理炉は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源を用いて、ウェハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。このＭＭＴ装置は、気密性を確保した反応室たる処理室に基板を設置し、シャワー板を介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界をかけてマグネトロン放電を起こす。放電用電極近傍の電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回し、磁界に捕捉されるため電離生成率が高くなり高密度プラズマ生成が可能となる。この高密度プラズマによって反応ガスを励起分解させる。励起分解させた反応ガスにより、基板表面を酸化または窒化等の拡散処理をしたり、または基板表面に薄膜を形成したり、または基板表面をエッチングしたりする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。
【００２５】
［実施形態１］
本発明の実施形態１の構成を、図１に示す。このＭＭＴ装置は、シャワー板３、上蓋４
及びその上方の構造を除き、基本的に図６の装置と同じ構成となっている。
【００２６】
このＭＭＴ装置は、第１の容器と第２の容器とから構成された処理容器１０を備える。第２の容器である下容器１と、該下容器１の上に被せられる第１の容器である上容器２とから内部に基板６を処理する反応室（処理室）２０が形成されている。上容器２は窒化アルミニウムや酸化アルミニウム又は石英の誘電体でドーム型をして形成されており、下容器１はアルミニウムで形成されている。また後述するヒーター体型の基板保持手段であるサセプタ５を、窒化アルミニウムや、セラミックス又は石英で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染を低減している。
【００２７】
図１において、上容器２の上部には開口２ａが設けられており、この開口２ａを被って、光透過性窓を備えた金属製の上蓋４が、Ｏリング９を介して設置されている。この上蓋４は、開口を有するアルミニウム合金製の上蓋縁部材４１と、この開口を気密に被う光透過性窓部材４２とから構成されている。
【００２８】
図２に拡大して示すように、上蓋縁部材４１の上面には、その内側縁に段差部４３が形成され、ここに光透過性窓部材４１の周縁が、シール部材たるテフロン（登録商標）製シール材４４及びＯリング４５を介して支持されている。なお上蓋縁部材４１は電極としても使用でき、高周波電力が供給できる。
【００２９】
一方、金属製の上蓋４の下面には、上容器２の上部開口２ａを被って、反応ガスを側方よりシャワー状に供給するシャワー板として機能する遮蔽プレート２４０が配設されている。この遮蔽プレート２４０は、図３に示すように、円板状の部材から成り、その外周の上下面に、貫通しない一対の切欠き凹所３０１を有する。上面の切欠き凹所３０１は、遮蔽プレート２４０の上面に沿って径方向外方に流れて来たガスを溜めるようになっている。下面の切欠き凹所３０１は、上面の切欠き凹所３０１に溜まって、遮蔽プレート２４０の側面を通って流下して来たガスを開口２ａから処理室２０内に吹き出すようになっている。
【００３０】
一対の切欠き凹所３０１は遮蔽プレート２４０の周方向に等間隔に複数設ける。切欠き形状は、図示例では略半円状をしているが、これに限定されない。ガス吹出口が形成されるガス流路が形成されれば、切欠きの形状は任意である。なお、切欠き凹所３０１は、図示例では、上面と下面の両方に一対設けているが、下面だけに設けるようにしてもよい。また切欠き凹所３０１は、上面と下面とで周方向の位置を相互にずらせて設けても良い。
【００３１】
上記において、光透過性窓部材４２と遮蔽プレート２４０（シャワー板）との間にはガス分散室（バッファ室）１３が形成され、２種類以上のガスを使用する場合はこのガス分散室１３でガスが混合できる。
【００３２】
一方、図１に示すように、プラズマ生成手段１７として、処理容器１０の外側壁には、マグネトロン放電用の高周波電界を形成して、処理容器１０内に給気されるガスを放電させる筒状の放電用電極１５が設けられる。この放電用電極１５は高周波電源に接続されており、電極に高周波が供給されるようになっている。
【００３３】
同じく処理容器１０の外側壁には筒状に形成された磁界形成手段１６が設けられる。この磁界形成手段１６は、筒状放電用電極１５を囲むように筒状に配設される。これにより、筒状の放電用電極１５の軸方向にほぼ平行な成分の磁界を有するような磁力線を、筒状放電用電極１５内面に沿って筒軸方向に形成するようになっている。
【００３４】
上記構成の装置により、チャンバ内真空状態で所定のガスを導入し筒状の電極１５に高
周波を印加することで、ドーム状の上容器２内部にプラズマができる。図６に示す如く、下容器１内には基板載置台たるサセプタ５が配置され、この上にシリコンウェハなどの被処理基板６が設置される。上容器２内部に生成されたプラズマは拡散され、被処理基板６上においてほぼ均一なプラズマ密度となり、均一な処理が可能となる。
【００３５】
通常、この処理を促進するため、被処理基板６はサセプタ５の下側からヒータ加熱され、５００℃程度まで加温することが可能となる。しかし、シリコン酸化膜を厚く形成したいような場合には、より高温に加熱することが有利となる。
【００３６】
そこで、本発明では、上記のように上蓋４に光透過性窓（正確には光透過性窓部材４２）を設け、その上方、つまり光透過性窓に対応する反応室外側にランプ加熱装置５０を配置し、反応室外から光透過性窓を通して被処理基板６をランプ加熱する構造とする。
【００３７】
図１の実施形態では、上蓋縁部材４１と共に窓枠を構成するステンレス製の取付部材５１を介して、光透過性窓部材４２の上方に少なくとも１個の加熱ランプから成るランプ加熱装置５０を取り付ける。すなわち、取付部材５１の下面内縁に段差部５２を形成し、上蓋縁部材４１の段差部４３と共に窓枠を構成し、これに光透過性窓部材４２の縁部を嵌め込む。その際、光透過性窓部材４２の上面と取付部材５１の段差部下面との間には、テフロン（登録商標）製シール材４４を設けて、光透過性窓部材４２の縁部を押さえ込む。光透過性窓部材４２は下面側のＯリング４５で完全にシールされるため、上面側にＯリング４５は特には設けない。
【００３８】
このように構成することで、ランプ加熱装置５０をからの加熱光５３を、光透過性窓を通して反応室内に導き入れ、被処理基板を光照射して高温に加熱することができた。
【００３９】
しかし、加熱温度を高くすると、反応室のランプ加熱装置周辺部材、つまり上蓋縁部材４１や光透過性窓部材４２といったランプ加熱装置周辺部材の温度が上昇し、処理容器１０の密閉構造に寄与しているＯリング９やＯリング４５にダメージを与え、そのシール機能の寿命を縮める。
【００４０】
そこで、図２に示すように、反応室のランプ加熱装置周辺部材の温度上昇を低減させる手段として、取付部材５１を熱伝導率が低く耐熱性のある材料であるステンレスで構成する。また、反応室の上蓋における光透過性窓の窓枠部分、つまり上蓋縁部材４１内に冷却液の通路（この実施形態では水路）６１を形成し、ランプ加熱装置５０により加熱されたランプ加熱装置周辺部材（上蓋縁部材４１や光透過性窓部材４２や遮蔽プレート２４０等）の熱を、この冷却液に吸収させて、装置外に汲み出す。これらの手段によりランプ加熱装置周辺部材の温度上昇を低減させることができる。また、上蓋縁部材４１の材質を、熱伝導率の高いアルミニウムとしているので、より効率よく冷却することができる。
【００４１】
アルミニウムとステンレスは溶接ができない。そこで実際には、上蓋縁部材４１の上面にステンレス製のフランジ板６０を設け、これにステンレス製の冷却液通路６１及びそのキャップ６２の部分を形成し、さらにステンレス製の取付部材５１と一体の構造として、フランジ板６０の部分においてアルミニウム製の上蓋縁部材４１にボルト止している。
【００４２】
上記第一の実施形態では、反応室のランプ加熱装置周辺部材の温度上昇を低減させる手段として、取付部材５１を熱伝導率が低く耐熱性のある材料であるステンレスで構成すると共に、ランプ加熱装置周辺部材の一つである上蓋縁部材４１に冷却水を流して熱を積極的に汲み出す構造とした。
【００４３】
かかる構造を採用した場合の効果は、熱・光が集中する部分は光源たるランプ加熱装置
５０の周囲であるため、その局所的な部分に冷却水を流すことで、上蓋縁部材４１を中心とする周辺部材の温度上昇を低減させることができる点にある。光源から放射された光（熱）を冷却水へ多く吸収させるために、上蓋縁部材４１の材質は熱伝導率の高い材質、例えばアルミニウムを用いる。
【００４４】
［実施形態２］
図４に本発明の第二の実施形態の構成を、また図５にその一部を拡大して示す。この第二の実施形態は、ランプ加熱装置５０を上蓋１２に取り付ける構造が熱の消散が良好なピン構造（ピン７４）と成っている点において、図２の場合と異なっている。
【００４５】
すなわち、図５に拡大して示すように、ランプ加熱装置５０の取付部材７１は、上蓋縁部材４１の上面に設けられたステンレス製のフランジ板６０の内周縁より、一体的にステンレス製の縦板状の取付部材７１を起立させ、その上端にステンレス製の内向フランジ部７２を設ける。すなわち、下端に外向フランジ（フランジ板６０）を有し、上端に内向フランジ（内向フランジ部７２）を有するステンレス製の縦板状の取付部材７１を、光透過性窓部材４２の外周囲に設ける。一方、ランプ加熱装置５０の底面に、ステンレス製の横板状の取付部材７３を設け、これにステンレス製のピン７４を溶接より固定して垂下しておく。そして、このピン７４の下端を取付部材７１の上端の内向フランジ部７２に溶接により固定する。
【００４６】
このように反応室２０のランプ加熱装置周辺部材の温度上昇を低減させる手段として、処理容器１０の外部に、突起（ピン）の付いた板（取付部材７１、取付部材７３、ピン７４）を介して光源たるランプ加熱装置５０を支持する構造を採用し、板の材質として、できるだけ熱伝導率の低い材料で且つ耐熱のある材料であるステンレス鋼を用いる。
【００４７】
かかる構造を採用した場合、突起（ピン）の付いた板（取付部材７１、取付部材７３、ピン７４）により、熱伝導による表面積を小さくする事ができ、ランプ加熱装置５０からの熱を処理容器の上蓋４に直接伝導させないため、反応室２０のランプ加熱装置周辺部材（上蓋縁部材４１や光透過性窓部材４２）の温度上昇を低減させ、処理容器外部の材料（Ｏリング９、４５等）に掛かる熱による負荷を低減することができる。
【００４８】
上記実施形態では、ランプ加熱およびプラズマ処理を同時に行うようにしたが、プラズマ処理してからランプ加熱する、またはランプ加熱してからプラズマ処理することも可能である。
【００４９】
上記実施形態では、放電用電極の電界形成に関して、接地電位の上蓋４の中央に光透過性窓部材４２を設けているため、全面が金属ではなくなっており、いわば図６において上蓋を省略した構造に近いものとなっている。このため電界の形成状況が従来と変わるが、主に放電用電極と基板載置台（サセプタ）の間、および放電用電極と接地電位の下容器との間に電界が形成されることになる。
【符号の説明】
【００５０】
４  上蓋（金属製）
５  サセプタ
６  被処理基板
９  Ｏリング
１０  処理容器
１７  プラズマ生成手段
２０  反応室（処理室）
４１  上蓋縁部材
４２  光透過性窓部材
４３  段差部
４４  テフロン（登録商標）製シール材
４５  Ｏリング
５０  ランプ加熱装置
５１  取付部材
５２  段差部
６０  フランジ板
６１  冷却液の通路
６２  キャップ
７１  取付部材
７２  内向フランジ部
７３  取付部材
７４  ピン
【図１】
2010219542.tif 000003
【図２】
2010219542.tif 000004
【図３】
2010219542.tif 000005
【図４】
2010219542.tif 000006
【図５】
2010219542.tif 000007
【図６】
2010219542.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成22年4月22日(2010.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも上面に光透過性窓を設けた反応室と、
前記光透過性窓に対応する反応室外側に配置されたランプ加熱装置と、
前記ランプ加熱装置と前記光透過性窓との間に設けられ、前記光透過性窓の窓枠を構成する耐熱性伝導部材と、
前記耐熱性熱伝導部材と前記光透過性窓の間に設けられた窓押さえ込み部と、
前記反応室内の前記ランプ加熱装置に対向させて被処理基板をランプ加熱装置からの光照射を受けるように載置する基板載置台と、
を有する半導体製造装置。
【請求項２】
前記窓枠は、耐熱性熱伝導部材のほかに第二の熱伝導部材を有し、
前記第二の熱伝導部材は、前記耐熱性熱伝導部材により熱伝導率が高い材質であり、
前記第二の熱伝導部材は、冷却流路が設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。